JP3220445B1 - 立体高分子材料の表面処理方法 - Google Patents
立体高分子材料の表面処理方法Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/48—Ion implantation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
- B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
- B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
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-
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- B29K—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES B29B, B29C OR B29D, RELATING TO MOULDING MATERIALS OR TO MATERIALS FOR MOULDS, REINFORCEMENTS, FILLERS OR PREFORMED PARTS, e.g. INSERTS
- B29K2995/00—Properties of moulding materials, reinforcements, fillers, preformed parts or moulds
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Abstract
【要約】
【課題】 伝導性をもった金属グリッドを試料台上に設
置して立体高分子試料の表面にプラズマイオン注入が行
われるようにすることで、高分子表面改質を成し、これ
により高分子表面の電気伝導度を向上させる方法及びそ
の装置を提供すること。 【解決手段】 本発明は(a)真空槽内の試料台上に立
体高分子材料を位置させる工程と、(b)真空槽内の前
記材料表面から一定距離離れた箇所にグリッドを位置さ
せる工程と、(c)真空槽内の前記材料表面に抵抗度を
低める黒鉛層を形成するために気体プラズマイオンを形
成する工程と、(d)前記グリッドに陰電圧パルスを加
えて気体プラズマイオンを前記材料の表面に注入させる
工程とを含むグリッドを用いた立体高分子のプラズマイ
オン注入による立体高分子材料の表面処理方法である。
置して立体高分子試料の表面にプラズマイオン注入が行
われるようにすることで、高分子表面改質を成し、これ
により高分子表面の電気伝導度を向上させる方法及びそ
の装置を提供すること。 【解決手段】 本発明は(a)真空槽内の試料台上に立
体高分子材料を位置させる工程と、(b)真空槽内の前
記材料表面から一定距離離れた箇所にグリッドを位置さ
せる工程と、(c)真空槽内の前記材料表面に抵抗度を
低める黒鉛層を形成するために気体プラズマイオンを形
成する工程と、(d)前記グリッドに陰電圧パルスを加
えて気体プラズマイオンを前記材料の表面に注入させる
工程とを含むグリッドを用いた立体高分子のプラズマイ
オン注入による立体高分子材料の表面処理方法である。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は3次元立体高分子素
材及び製品の表面特性と表面の電気伝導度を向上させる
ためにプラズマイオン注入技術を用いる表面改質方法及
びその装置に関する。
材及び製品の表面特性と表面の電気伝導度を向上させる
ためにプラズマイオン注入技術を用いる表面改質方法及
びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子素材の表面電気伝導度を向上させ
るために用いられた従来の方法には、高分子表面に金属
導電層を蒸着する方法、伝導性高分子素材を用いる方法
「韓国特許第0190269号」或いはカーボンブラッ
クなどの伝導性フィラーを高分子製造の際に添加する方
法「H.Tang,Z.Y.Liu,J.H.Pial,X.F.Chen,Y.X.Lou and
S.H.Li,Journal of Applied Polymer Science、第51
巻、1159頁、1994年発行」等が用いられてき
た。しかし、このような従来の方法はいずれもいろいろ
な問題点を抱えており、特には、高分子と金属薄膜との
弱い接着力、限られた伝導性高分子素材及び工程の複雑
性などを挙げることができる。一方、最近利用され始め
た方法としては電子ビームやイオンビームなどの高エネ
ルギー粒子ビームを用いる方法があり「G.Marletta,C.O
liveri,G.Ferla and S.Pignataro,Surface Interface A
nalysis、12巻、447頁、1988年発行」、この
ような粒子ビームを用いる場合は高分子表面の電気伝導
度を増加させることができるが、高価な加速器を利用し
なければならなく、特に3次元立体試料の表面を均一に
処理し難いという短所がある。
るために用いられた従来の方法には、高分子表面に金属
導電層を蒸着する方法、伝導性高分子素材を用いる方法
「韓国特許第0190269号」或いはカーボンブラッ
クなどの伝導性フィラーを高分子製造の際に添加する方
法「H.Tang,Z.Y.Liu,J.H.Pial,X.F.Chen,Y.X.Lou and
S.H.Li,Journal of Applied Polymer Science、第51
巻、1159頁、1994年発行」等が用いられてき
た。しかし、このような従来の方法はいずれもいろいろ
な問題点を抱えており、特には、高分子と金属薄膜との
弱い接着力、限られた伝導性高分子素材及び工程の複雑
性などを挙げることができる。一方、最近利用され始め
た方法としては電子ビームやイオンビームなどの高エネ
ルギー粒子ビームを用いる方法があり「G.Marletta,C.O
liveri,G.Ferla and S.Pignataro,Surface Interface A
nalysis、12巻、447頁、1988年発行」、この
ような粒子ビームを用いる場合は高分子表面の電気伝導
度を増加させることができるが、高価な加速器を利用し
なければならなく、特に3次元立体試料の表面を均一に
処理し難いという短所がある。
【0003】プラズマと高電圧パルスを用いるプラズマ
イオン注入技術「米国特許第4,764,394号、韓
国特許第137,704号、韓国特許第217,538
号」は、大面積の3次元立体試料の表面に均一にイオン
を注入して表面改質を成し得る技術であり、金属試料の
表面改質や半導体の不純物ドーピングに非常に効果的で
あり、且つ高分子素材の親水性及び疎水性表面改質に非
常に適した技術である。
イオン注入技術「米国特許第4,764,394号、韓
国特許第137,704号、韓国特許第217,538
号」は、大面積の3次元立体試料の表面に均一にイオン
を注入して表面改質を成し得る技術であり、金属試料の
表面改質や半導体の不純物ドーピングに非常に効果的で
あり、且つ高分子素材の親水性及び疎水性表面改質に非
常に適した技術である。
【0004】一般に、導電体の金属や半導体へのプラズ
マイオン注入時、高電圧パルスを試料の載置された試料
台に印加すると、高電圧による電場によってプラズマか
らイオンが加速されて試料の表面に均一にイオンが注入
される。しかし、立体高分子素材の場合は電気が通じな
い不導体なので、単に試料が載置された試料台に高電圧
を印加する方法ではイオン注入が効率よく行われなくな
る。
マイオン注入時、高電圧パルスを試料の載置された試料
台に印加すると、高電圧による電場によってプラズマか
らイオンが加速されて試料の表面に均一にイオンが注入
される。しかし、立体高分子素材の場合は電気が通じな
い不導体なので、単に試料が載置された試料台に高電圧
を印加する方法ではイオン注入が効率よく行われなくな
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、伝導性をもった金属グリッドを試料台上に設置して
立体高分子試料の表面にプラズマイオン注入が行われる
ようにすることで、高分子表面改質を成し、これにより
高分子表面の電気伝導度を向上させる方法及びその装置
を提供することにある。
は、伝導性をもった金属グリッドを試料台上に設置して
立体高分子試料の表面にプラズマイオン注入が行われる
ようにすることで、高分子表面改質を成し、これにより
高分子表面の電気伝導度を向上させる方法及びその装置
を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係る3次元立体
高分子表面へのイオン注入の原理は次の通りである。即
ち、高分子試料周囲の金属製グリッドに陰の高電圧パル
スが加わると、プラズマからイオンが抽出されてグリッ
ドに向かって加速される。しかし、大部分のイオンはグ
リッドに衝突せず、グリッドを通過して高エネルギーで
高分子試料の表面に衝突することになる。従って、試料
台に直接高電圧パルスを印加する方法ではイオン注入が
難しかった立体高分子の表面に均一にイオン注入が行わ
れ、このように高エネルギーで注入されたイオンは高分
子の表面を改質して電気伝導度を効率よく向上させるこ
とができる。
高分子表面へのイオン注入の原理は次の通りである。即
ち、高分子試料周囲の金属製グリッドに陰の高電圧パル
スが加わると、プラズマからイオンが抽出されてグリッ
ドに向かって加速される。しかし、大部分のイオンはグ
リッドに衝突せず、グリッドを通過して高エネルギーで
高分子試料の表面に衝突することになる。従って、試料
台に直接高電圧パルスを印加する方法ではイオン注入が
難しかった立体高分子の表面に均一にイオン注入が行わ
れ、このように高エネルギーで注入されたイオンは高分
子の表面を改質して電気伝導度を効率よく向上させるこ
とができる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明について添付の図面
及び実施例に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に
係るプラズマイオン注入装置の概略図を示している。前
記プラズマイオン注入装置は、これに限定されるのでは
ないが、電気接地15に接地された真空槽1及び真空ポ
ンプ2、真空槽内に使用ガスを導入させるためのガス導
入装置13、導入されたガスを用いてプラズマ7を発生
させるためのアンテナ6及び電源装置4,5、高分子試
料8を支持するための試料台9、プラズマからイオンを
加速させてイオン注入を行うために陰の高電圧パルスが
印加される金属グリッド10、これに必要な高電圧パル
スを発生させる高電圧パルス発生装置11及びその他の
測定装置12とからなる。
及び実施例に基づいて詳細に説明する。図1は本発明に
係るプラズマイオン注入装置の概略図を示している。前
記プラズマイオン注入装置は、これに限定されるのでは
ないが、電気接地15に接地された真空槽1及び真空ポ
ンプ2、真空槽内に使用ガスを導入させるためのガス導
入装置13、導入されたガスを用いてプラズマ7を発生
させるためのアンテナ6及び電源装置4,5、高分子試
料8を支持するための試料台9、プラズマからイオンを
加速させてイオン注入を行うために陰の高電圧パルスが
印加される金属グリッド10、これに必要な高電圧パル
スを発生させる高電圧パルス発生装置11及びその他の
測定装置12とからなる。
【0008】本発明に係る高分子素材表面の電気伝導度
の向上のために用いられるプラズマ源ガス14として
は、これに限定されるのではないが、アルゴン、ネオ
ン、ヘリウム、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、水
素、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、メタン、C
F4ガス及びこれらの混合ガスを利用することができ
る。
の向上のために用いられるプラズマ源ガス14として
は、これに限定されるのではないが、アルゴン、ネオ
ン、ヘリウム、クリプトン、キセノン、窒素、酸素、水
素、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、メタン、C
F4ガス及びこれらの混合ガスを利用することができ
る。
【0009】また、導入されたガスのプラズマは、これ
に限定されるのではないが、真空槽内のアンテナ6、マ
ッチングネットワーク5及びRF電力供給装置4によっ
て発生させることができる。しかし、この方法だけでな
く、フィラメント放電を用いるか、マイクロ波を用いて
プラズマを発生させることができ、金属グリッドに加え
られる高電圧パルスによる強い電場を用いて直接プラズ
マを発生させると同時にイオン注入を行うこともでき
る。
に限定されるのではないが、真空槽内のアンテナ6、マ
ッチングネットワーク5及びRF電力供給装置4によっ
て発生させることができる。しかし、この方法だけでな
く、フィラメント放電を用いるか、マイクロ波を用いて
プラズマを発生させることができ、金属グリッドに加え
られる高電圧パルスによる強い電場を用いて直接プラズ
マを発生させると同時にイオン注入を行うこともでき
る。
【0010】試料の周囲に位置して高電圧パルスが印加
される金属グリッド10は、主にステンレススチール等
を利用するが、他の金属を利用してもよい。
される金属グリッド10は、主にステンレススチール等
を利用するが、他の金属を利用してもよい。
【0011】真空槽内のプラズマはラングミュアプロー
ブ(Langmuir probe)12を用いて測定してイオン注入に
必要なプラズマの密度を保つ。また、プラズマの密度及
び均一度を向上させるために、永久磁石3を真空槽の周
囲に配置することにより、磁場を用いてプラズマの損失
を減らすことができる。
ブ(Langmuir probe)12を用いて測定してイオン注入に
必要なプラズマの密度を保つ。また、プラズマの密度及
び均一度を向上させるために、永久磁石3を真空槽の周
囲に配置することにより、磁場を用いてプラズマの損失
を減らすことができる。
【0012】本発明によって金属グリッドに加えられる
高電圧パルスは、パルス電圧−1kV〜−100kV、
パルスオフ時の電圧0V〜−1kV、パルス幅1μse
c〜50μsec、パルス周波数10Hz〜10kHz
の値を利用する。
高電圧パルスは、パルス電圧−1kV〜−100kV、
パルスオフ時の電圧0V〜−1kV、パルス幅1μse
c〜50μsec、パルス周波数10Hz〜10kHz
の値を利用する。
【0013】(実施例1)厚さ4mmのポリカーボネー
ト板(50mm×80mm)を真空槽内の真空度が10
−5torrのプラズマイオン注入装置内の試料台上に
位置させた後、アルゴン、酸素または窒素ガスを3乃至
5sccmの流量で装置内に供給した。周波数13.5
6MHz、出力100WのRF波を用いて真空槽内にプ
ラズマを発生させた。イオンパルス条件としてはパルス
電圧−30kV、パルスオフ時の電圧−80V、パルス
幅20μs、パルス周波数100Hzのパルスを使用
し、試料台から30mm離れた箇所にグリッドを設置す
るために、直径3mm、長さ30mmのステンレススチ
ール支持台を利用した。それぞれの気体プラズマを発生
させた後2分間処理した。このように表面処理した試料
を一定期間空気中に露出させた後、表面抵抗度を測定し
た結果を図2に示す。図2から、表面を処理しない高分
子表面に比べてプラズマイオン注入を行った試料の場合
は表面抵抗度が104以上減少することが分かる。特
に、ポリカーボネート試料にアルゴンプラズマイオンを
注入した試料がさらに効率よく表面処理された。
ト板(50mm×80mm)を真空槽内の真空度が10
−5torrのプラズマイオン注入装置内の試料台上に
位置させた後、アルゴン、酸素または窒素ガスを3乃至
5sccmの流量で装置内に供給した。周波数13.5
6MHz、出力100WのRF波を用いて真空槽内にプ
ラズマを発生させた。イオンパルス条件としてはパルス
電圧−30kV、パルスオフ時の電圧−80V、パルス
幅20μs、パルス周波数100Hzのパルスを使用
し、試料台から30mm離れた箇所にグリッドを設置す
るために、直径3mm、長さ30mmのステンレススチ
ール支持台を利用した。それぞれの気体プラズマを発生
させた後2分間処理した。このように表面処理した試料
を一定期間空気中に露出させた後、表面抵抗度を測定し
た結果を図2に示す。図2から、表面を処理しない高分
子表面に比べてプラズマイオン注入を行った試料の場合
は表面抵抗度が104以上減少することが分かる。特
に、ポリカーボネート試料にアルゴンプラズマイオンを
注入した試料がさらに効率よく表面処理された。
【0014】(実施例2)グリッドの位置を試料台から
20mm離れた箇所に設置した後、厚さ10μmのポリ
イミドフィルム(直径70mm)をアルゴンガスを用い
て実施例1と同一の条件下でプラズマイオン注入で処理
した。処理時間を10分、20分、30分として表面処
理した試料を一定期間空気中に露出させた後、表面抵抗
度を測定した結果を図3に示す。図3から、処理時間が
長ければ長いほど試料の表面処理程度が大きくなって表
面抵抗度が減少することが分かる。
20mm離れた箇所に設置した後、厚さ10μmのポリ
イミドフィルム(直径70mm)をアルゴンガスを用い
て実施例1と同一の条件下でプラズマイオン注入で処理
した。処理時間を10分、20分、30分として表面処
理した試料を一定期間空気中に露出させた後、表面抵抗
度を測定した結果を図3に示す。図3から、処理時間が
長ければ長いほど試料の表面処理程度が大きくなって表
面抵抗度が減少することが分かる。
【0015】(実施例3)立体模様の高分子に対する表
面処理効果を調べるために、細胞培養皿に使用する厚さ
1mmのポリスチレン板(直径35mm、高さ10m
m)をアルゴン気体を用いてプラズマイオン注入処理を
行った。実施例1と同一の条件で行った。グリッドは試
料台から40mm離れた箇所に位置させた。ポリスチレ
ン培養皿を一枚、二枚、三枚とそれぞれ積み上げて表面
処理を行った結果を図4に示す。グラス模様の培養皿を
表面処理した場合、培養皿の内側底面だけでなく、内側
側面と外側側面が共に処理されて低い表面抵抗値を示し
た。これから立体模様の高分子試料が均一に処理される
ことが分かる。また、試料を1個、2個、3個と積み上
げるほどグリッドとの距離が近くなって表面処理が効果
的である。
面処理効果を調べるために、細胞培養皿に使用する厚さ
1mmのポリスチレン板(直径35mm、高さ10m
m)をアルゴン気体を用いてプラズマイオン注入処理を
行った。実施例1と同一の条件で行った。グリッドは試
料台から40mm離れた箇所に位置させた。ポリスチレ
ン培養皿を一枚、二枚、三枚とそれぞれ積み上げて表面
処理を行った結果を図4に示す。グラス模様の培養皿を
表面処理した場合、培養皿の内側底面だけでなく、内側
側面と外側側面が共に処理されて低い表面抵抗値を示し
た。これから立体模様の高分子試料が均一に処理される
ことが分かる。また、試料を1個、2個、3個と積み上
げるほどグリッドとの距離が近くなって表面処理が効果
的である。
【0016】(実施例4)厚さ3mmと5.5mmの2
種のMPPO高分子板(50mm×80mm)を10-3
torrのアルゴン気体を注入した真空槽で出力100
WのRFプラズマを作って20μs、100Hzのパル
ス幅と周波数で−30kVと−50kVの高電圧を試料
表面から30mm離れたグリッドに印加してそれぞれ2
分、5分、10分間のプラズマイオン注入処理を行った
後、表面抵抗度を測定して比較したグラフを図5に示
す。処理時間が増加すればするほど、そして注入エネル
ギーが大きければ大きいほど低い抵抗度を示し、厚いM
PPOの場合はグリッドとの距離が近くなってさらに効
率よく処理された。
種のMPPO高分子板(50mm×80mm)を10-3
torrのアルゴン気体を注入した真空槽で出力100
WのRFプラズマを作って20μs、100Hzのパル
ス幅と周波数で−30kVと−50kVの高電圧を試料
表面から30mm離れたグリッドに印加してそれぞれ2
分、5分、10分間のプラズマイオン注入処理を行った
後、表面抵抗度を測定して比較したグラフを図5に示
す。処理時間が増加すればするほど、そして注入エネル
ギーが大きければ大きいほど低い抵抗度を示し、厚いM
PPOの場合はグリッドとの距離が近くなってさらに効
率よく処理された。
【0017】
【発明の効果】本発明の方法によって金属グリッドを用
いて立体高分子材料の表面を処理すると、高分子試料が
絶縁物質であっても気体のプラズマイオンがグリッドに
よって加速され、立体高分子材料の表面に注入されて多
数のラジカルが形成され、このラジカルによって高分子
鎖が二重結合または架橋反応をして鎖と鎖との結合を形
成することにより、高分子表面を黒鉛構造と類似してい
る構造を作って電子の移動可能な通路を作り、結果とし
て表面抵抗度を大きく減らす効果を奏する。
いて立体高分子材料の表面を処理すると、高分子試料が
絶縁物質であっても気体のプラズマイオンがグリッドに
よって加速され、立体高分子材料の表面に注入されて多
数のラジカルが形成され、このラジカルによって高分子
鎖が二重結合または架橋反応をして鎖と鎖との結合を形
成することにより、高分子表面を黒鉛構造と類似してい
る構造を作って電子の移動可能な通路を作り、結果とし
て表面抵抗度を大きく減らす効果を奏する。
【図1】本発明に係る3次元立体高分子素材の表面改質
のためのプラズマイオン注入装置の構造図である。
のためのプラズマイオン注入装置の構造図である。
【図2】本発明の実施例1において気体プラズマの種類
と表面抵抗度との関係を示す図である。
と表面抵抗度との関係を示す図である。
【図3】本発明の実施例2においてプラズマイオン注入
処理時間と表面抵抗度との関係を示すグラフである。
処理時間と表面抵抗度との関係を示すグラフである。
【図4】本発明の実施例3において積み上げた試料の個
数と表面抵抗度との関係を示すグラフである。
数と表面抵抗度との関係を示すグラフである。
【図5】本発明の実施例4において試料の厚さ及びイオ
ン注入エネルギーと表面抵抗度との関係を示すグラフで
ある。
ン注入エネルギーと表面抵抗度との関係を示すグラフで
ある。
1 真空槽 2 真空ポンプ 3 永久磁石 4 RF電力装置 5 マッチングネットワーク 6 アンテナ 7 プラズマ 8 高分子試料 9 試料支持台 10 金属グリッド 11 高電圧パルス発生装置 12 プラズマ測定装置 13 ガス調節装置 14 使用ガス 15 真空槽接地
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−9315(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C08J 7/00 306
Claims (6)
- 【請求項1】 (a)真空槽内の試料台上に立体高分子
材料を位置させる工程と、 (b)真空槽内の前記材料表面から一定距離離れた箇所
にグリッドを位置させる工程と、 (c)真空槽内の前記材料表面に抵抗度を低める黒鉛層
を形成するために気体プラズマイオンを形成する工程
と、 (d)前記グリッドに陰電圧パルスを加えて気体プラズ
マイオンを前記材料の表面に注入させる工程とを含むグ
リッドを用いた立体高分子のプラズマイオン注入による
立体高分子材料の表面処理方法。 - 【請求項2】 グリッドが試料表面上から真空層の上壁
までの間の高さに位置することを特徴とする請求項1記
載の高分子表面処理方法。 - 【請求項3】 グリッドの行と行との間隔が1〜20m
mの値をとることを特徴とする請求項1記載の高分子表
面処理方法。 - 【請求項4】 グリッドに加える高電圧パルスは、パル
ス電圧−1kV〜−100kV、パルスオフ時の電圧0
V〜−1kV、パルス幅1μsec〜50μsec、パ
ルス周波数10Hz〜10kHzの値をとることを特徴
とする請求項1記載の高分子表面処理方法。 - 【請求項5】 立体高分子素材表面の電気伝導度の向上
にアルゴン、ネオン、ヘリウム、クリプトン、キセノ
ン、窒素、酸素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、アン
モニア、メタン、或いはCF4ガスを使用することを特
徴とする請求項1記載の高分子表面処理方法。 - 【請求項6】 真空槽内のプラズマをグリッドに加えら
れる高電圧パルスを用いてアンテナ無しで直接発生させ
ることを特徴とする請求項1記載の高分子表面処理方
法。
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